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出末大学硕士学位论文 固定化微生物处理印染废水研究 张洪荣 摘要 印染废水是一种量大、面广的工业废水，内含多种有毒难降解的染料，其 水质特征是含有大量碱类，p h 值高：含有大量残余染料和助剂，色度深；有机 物含量高，耗氧量大，悬浮物多，且含有微量的有毒物质，组成复杂。因此印 染废水的处理达标难度相当大。目前国内外对印染废水处理作了大量研究，常 用的方法主要有物化法和生物法，其中生物法居多。但印染废水的净化目前很 难用一般的处理方法彻底解决，尤其是废水中的色度，主要原因可能是水处理 系统中所需微生物不具优势，微生物浓度低，对大分子有机染料降解缓慢。针 列这一问题目前通常采用向水处理系统中投加高效优势脱色菌种的方法解决， 同时为解决菌种易流失。不能反复利用，不能被高效的利用，一些研究人员丌 始将固定化细胞这种先进的微生物技术应用于印染废水的处理。 本文针对印染废水c o d 。高及色度深两大主要特点，运用吸附固定微生物 技术，进行处理印染废水的试验研究。通过富集培养，从空气中分离到一株脱 色真菌，经初步鉴定为黑曲霉( a s p e r g i l l u sn i g e r ) ，定名为z h 1 。通过试验确 定，该菌种具有较强的脱色能力，脱色的最佳条件为：温度3 0 一3 3 。c ，p h 为 6 0 7 0 ，该条件下作用4 0 h 左右，对几种试验用染料能达到9 0 以j 二的脱色率， 该菌种的脱色性能目前尚未见报道。同时，对印染厂的活性污泥进行驯化，并 筛选出p v a 降解菌群，对其进行富集培养。用核桃壳做载体，采用吸附法将黑 曲霉( z h 1 ) 及混合菌分别固定在载体上，组成一个串联装置，对自配印染废水 水样分别进行停留时间为2 h 、4 h 、6 h 的脱色降解试验。试验结果表明该菌群组 合能对印染废水有较高的脱色率及c o d 去除率，并且能承受较大的冲击负荷。 并使用该固定化微生物系统处理滨州印染厂的废水水样，出水最终c o d 。 1 6 0 m g l ，去除率为9 4 5 ；色度 二，9 0 0 0 m 3 ，水中污 染物浓度为：b o d 5 一 3 0 0 m g i 。c o d 。，一 3 0 0 0 m g l ，s s 一 3 0 0 m g l ，色度一 5 0 0 ， d h l l 。废水主要来自印染前处理( 退浆、煮炼、漂白、丝光) 、染色、整理等 工序。各工艺阶段废水特征如下： 1 ) 前处理废水 退浆废水：退浆是用化学试剂将织物上所带浆料除去，废水排放量较少， 但污染严重，污染物含量占总量的近一半，因含有各种浆料、浆料分解物、纤 山东a -学硕士学位论文 维屑、酸、碱和酶类等污染物，使废水旱碱性，略带黄色，其c o d 。，和b o d 5 相当高。 煮练废水：煮练是用热碱及表面活性剂去除纤维中所含的油脂、果胶、蜡 质等杂质。煮练废水呈褐色，含有碱及部分短纤维，其c o d 。和b o d 5 值较高， 特别是煮练工序中采用煮布锅，排水间断不均匀，出水温度高，污染物浓度高， 且水量大，因此造成废水的冲击负荷大。 漂向废水：漂白使用次氯酸钠、氯酸钠、双氧水等氧化剂去除纤维色度， 其水量人，污染轻。 丝光废水：丝光废水中含碱量较高，污染物含量低。 2 ) 染色废水 染色车间设有8 台染缸，染色方法多，染料复杂，主要以活性染料、分散 性染料、硫化染料、还原染料、直接染料、酸性染料为主，染料结构以偶氮、 蒽琨为主。染色废水中含有残余染料、助剂、微量有毒物质和表面活性剂，废 水温度商，色度很深，呈碱性，悬浮物较少，b o d 5 c o d e 。比值较低，可生化性 较差。 3 ) 印花废水 日j 花废水主要来自配色调浆、印花滚筒和印花筛网的冲洗水以及印花后花 布的水洗、皂洗废水等，印花废水中除染料、助剂等污染物外，还含有大量浆 料，其c o d 。和b o d 5 值均较高。 4 ) 整理废水 整理废水含纤维屑、树脂、甲醛、油剂和浆料等，由于其废水量较小，对 整个废水的水质影响不大。 1 2 2 印染废水的危害 印染废水如果不加处理直接排放，将会对环境造成严重的污染“1 。 1 ) 对天然水体的污染印染废水排入天然水体后，其巾所含大量有机物会 迅速消耗水体中的溶解氧。沉积在河底的有机物，因缺氧产生厌氧分解，释放 i 出硫化氢又进一步消耗水体中的溶解氧。造成水体中溶解氧的大幅度下降，严 重时将威胁鱼虾类的生存。此外，漂白废水巾的游离氯可能破坏或降低河流的 自净能力。某些重金属还会在很长的河段上，危害水中动植物的l 三长。 2 由畚大学硕士学位论文 染色废水使河水着色，降低河水的透明度，从而减慢水生事物的同化速度， 间接妨碍鱼类的生长，同时也大大降低了水体的经济价值。 2 ) 对农用的污染用印染废水灌溉农田，由于碱性大，会引起土壤盐碱化。 废水中的悬浮物将堵塞土壤的空隙，阻碍农作物根系的呼吸，影响作物的生长。 农作物和土壤微生物最适生长温度为2 0 2 5 ，而印染废水高达3 0 4 0 ， 因此对作物和土壤微生物将产生不良的影响。印染废水中的有害物质含量虽少， 对人畜和作物虽无直接危害，但它们会在农作物的根茎和果实中积累，影响其 食用价值。此外，还会对地下承造成污染。 3 ) 对城市污水处理的影响一般印染废水可以直接排入城市下水道，还不 罕于影响其处理过程。但对含有苯胺或硫化染料的废水，必须控制其浓度，否 则对牛物处理不利。毛纺厂废水中，来自硫化染料染色过程的硫化物，对混凝 土管道有腐蚀作用；酸性染料染色侵用硫酸和硫酸钠，佼废水中的硫酸盐含量 增高，当其浓度超过3 0 0m g l ，以及含有由脂肪和肥皂分解出来的脂肪酸时会 引起腐蚀，由于它们对污水处理过程有危害，所以毛纺废水在生活污水中的比 例必须控制在l 2 。 1 2 ，3 印染废水主要污染物及特点 因印染废水所含污染物异常复杂，一般只能分析检测其中对水质污染起主 要作用的几项，作为废水水质的控制指标。 1 ) 水温印染废水的水温一般较高，通常为3 0 4 0 ，但有时可达4 0 以一卜，这对生物处理非常不利。以往对印染废水的水温重视不够，在设计和 运行管理上缺少应有的水温调节设备和控制措施。往往因车间排水水温过高， 影响了废水处理站的正常工作。实践证明，只要车间生产正常，并有适当的控 制措施，水温一般可控制在4 0 以下，对生物处理无明显影响。 2 ) p h 值印染废水的p h 值一般较高，可达9 1 2 ，有时甚至高达1 3 。 p h 值若超过l o ，般不能采用生物处理法。造成p h 值高的原因，主要是由于 煮练和丝光两道工序所排出的高碱性废水引起的。首先，丝光工序应考虑碱液 回收，以降低废水的p h 值。其次严格控制车间的用碱量，防止跑碱、漏碱事故。 在设计上考虑设置p h 值控制在1 0 以下，满足生物处理要求。 3 ) 颜色色度高和颜色多变是印染废水的主要特征之一。色素虽然危害 幽 东大学 硕 士学位 论文 不人，但带有颜色的水容易产生厌恶感。所以，颜色也是印染废水的主要指标 之一。 4 ) 固体物质印染废水中含有大量的固体物质，主要包括溶解固体和悬 浮固体，悬浮固体根据其比重的大小又可分为漂浮物( 比重 l ，可用普通沉 淀法去除的固体物质) 。对于一般处理要求，仅需控制悬浮固体，对于处理后要 求达到回用标准，还应控制溶解固体。 5 ) 有毒物质印染废水中所含的有毒物质一般属于慢性毒物，其毒性较 慢，作用时间长，一般能在人体和生物体内蓄积，当其达到一定浓度后，4 显 示出中毒症状，因而往往容易被人忽视。但危害一旦形成，可能造成严重后果。 这类毒物有重金属，如汞、镉、铬等；有机毒物如多氯联苯等。与其它有毒废 水比较，印染废水的毒性并不严重，除六价铬含量较高时必须单独处理外，一 般都i 呵与其它废水混合处理。 6 ) 有机物质纺织物用各种纤维材料和印染加工过程中使用的各种染料， 多数为有机物，它们是印染废水的主要污染源，也是废水处理的主要对象。、目j 染废水中的有机物多数成悬浮状和胶状，少数成溶解状。它们处于物质转化的 过渡阶段，性质极不稳定，耗氧量大，是污染环境的主要物质。主要用c o d 盯、 b o d 5 束表示印染废水中的有机物含量，c o d 。，与b o d 5 之比值，值越高表示废 水不易用生物处理，值越低表示较容易受生物降解，一般印染废水将 c o d 。d b o d 5 值调至2 2 5 之间可以利用生物处理。 7 ) 表面活性剂印染废水中含有大量表面活性剂，它不仅难以去除，而 且由于它的存在妨碍着其它污染物的去除j 同时还有一定的毒性。所以，表面 活性剂是水质污染中的种特殊物质，增加印染废水处理的难度。表面活性剂 的最大特点是蜜易起泡。在条件适宜时，即使其浓度低至o 5 m g l ，也能形成明 显的永久性泡沫。这是它污染水质，妨碍其它污染物去除的主要原因。 8 ) 聚乙烯醇( p v a )目a i 纺织印染行批广泛采用合成浆料p v a 代替天 然淀粉浆料。p v a 是一种高c o d 。，值、低b o d 5 值，难以生物降解的合成有机 物，一散很难用传统的方法改变其化学结构。浓度为1 0 0 m g i ，的p v a 浆液，其 由 末大学硕 士 学位论文 b o d s 2 5 0 天) 的无污染运行，然后进行分离、活力测定、纯化鉴定。 3 主要脱色及降解菌种 出丁：各印染厂水质不同，染料种类繁多且结构复杂，因此分离得到的菌种 也各有差异，目前已经分离出的脱色及降解菌种中国内以假单胞杆菌属和芽孢 山东大学硬t学位 论文 杆菌属居多，国外除这两种菌属以外，还包括自腐真菌。 1 ) 假单胞菌属和芽孢杆菌属 张娥等”1 从云南印染厂活性污泥中筛选出7 5 株细菌，5 株放线菌，2 株真荫， 并对占比重最大的细菌进行鉴定，共有1 4 个属，其中占优势的细菌类群有：假 单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、动胶菌属( z o o g l o e a ) 和黄杆菌属( f l a v o b a e t e r i u m ) 。 吴国庆等“从山西纺织印染厂及山西针织印染厂的活性污泥中分离到脱色 能力较强的紫色非硫光和细菌( p s b ) 混合菌株，芽孢杆菌属s d 4 0 s d 3 ，以及 未定菌名的d 孙i ) 4 和d c 8 9 、d c 9 2 ，p s b 菌体在一定条件下对活性红染料脱色 率为9 2 ，对阳离子蓝删染液的色度去除率为1 0 0 。 贾省芬、杨惠芳”1 从受染料长期污染的污泥样品种分离到2 8 组对多种染料 具有脱色能力的细菌，其中一株假单胞菌s 5 9 号菌对7 9 种染料均有脱色作用。 该菌对酸性红b 2 g l ( 简称酸性红b ) 和活性桔k 2 g v 的脱色活性高达4 4 8 4 4 3 r a g ( 染料) g “( 细胞湿重) h 。对阳离子红2 g l 和酸性红b 在浓度为 1 y 4 m o l l 时其半脱色时间只有0 5 h 。 沈玉如等曾选育一组脱色性能较好，具有应用前景的混合菌，命名为z e 一1 号脱色菌群，该菌群经鉴定主要有芽孢杆菌属( b a c i l l u s ) 、不动细菌属 ( a c i n e t o b a c t e r ) 、假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、无色杆菌属( a c h r o m o b a t t e r ) ， 其中前两种菌属占优势，占全部分离得到菌株的8 0 ，假单胞菌和无色杆菌较 少。 黄晓维、张颖等”采用富集法自广州、佛山等地的印染厂的污泥中分离得到 株脱色细菌，经鉴定属假单胞菌属( p s e u d o m o n a sa p ) ，暂取名为g m 一1 g ， 利用该菌株对7 4 种分属于活性、酸性、直接和分散类别的染料进行脱色试验， 发现其脱色率在8 0 以上的占染料总数的7 0 3 ，脱色率低于5 0 的只占供试 染料的1 3 5 ，证明该菌种对不同类型不同颜色及不同发色基团的染料均具有 明品脱色作用。 赵荫薇、沈建等”从太湖地区苏州、无锡、杭州等地小城镇的印染j r 扣筛 选获得1 7 株具有较强脱色能力的细菌，他们分属于假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、 棒状杆菌属( c o r y n c b a c t e r i u m ) 、肠细菌属( e n t e r o b a c t e r ) 和芽孢杆菌属( b a c i l i u s ) 。 曾丽璇、罗圈维“。从某织染公司废水处理站水解池不同点取 ；牛物膜及污 2 山东a -学硕士学位论文 混样品，利用1 0 倍稀释法稀释，并采用平板划线分离得到l o 株纯菌，经鉴定 其主要属于假单胞菌属、气单胞菌属、红螺菌属，并证明混合菌群的脱色能力 优于单株菌。 j o s h uc h a n g 等“2 1 从位于台湾中心地带的一家印染厂污泥中分离得到一株 假单胞杆菌( p s e u d o m o n a sl u t e o l a ) ，p 1 u t e o l a 对日本东京的s u m i t o m oi n c 生产 的活性红2 2 具有较强的脱色性。 程洁红、李尔炀“”从常州西郊土样中分离出三株菌，其中两株为脱色菌： 固氯菌( a z a t o b a c t e rs p ) 对活性艳红x 一3 b 的脱色率为6 0 2 ，假单胞菌 ( p s e u d o m o n a ss 口) 对v b 蓝盐的脱色率为9 8 4 。另一株为节杆菌( a r c h m b a c t e r s p ) 具有降解能力，对苯胺的降解率为9 6 1 。 黄新姣“”从温州印染厂废水池污泥中分离出三株染料脱色优势菌a l 睾丸 酮假单胞蔼( c o m a n o n a st e s t o s t e r o n i ) 、a 2 嗜麦芽黄单胞菌( x a n t h o m o n a s m a l t o p h i l i a ) 、a 3 恶臭假单胞菌( p s e u d o m o n a s p u t i d a ) ，其中a 对活性桃红k d 一8 b 脱色率为8 7 5 ，a 对活性桃红k d 一8 b 脱色率为9 0 2 ，a 对弱酸猩红f g 的脱 色率为8 6 4 。 y a t o m ee ta 1 ”用枯草芽孢杆菌( b a c i l l u ss u b t f l i s f o1 3 7 1 9 ) 降解2 一羧基4 7 一一：甲胺基偶氮苯( 2 - c a r b o x y 47 一d i m e t h y l e a m i n o a z o b e n z e n e ) ( o 0 4 5 m m o l l ) 2 0 r a i n ，降解率为1 0 0 。用洋葱假单胞菌( p s e u d o m o n a sc e p a c i a1 3 n a ) 处理 o r a n g ei ( o 0 4 5 m m o l l ) ，脱色9 h ，脱色率达9 0 。用斯图泽氏假单胞菌 ( p s e u d o m o n a ss t u t z e r ii a m1 2 0 9 7 ) 处理o r a n g ei 、o r a n g e i i ( o 0 4 5 m m o l l ) 2 0 h ， 脱色率为8 0 。 w o n g & y u e n “”用肺炎克氏杆菌( k l e b s i e l l ap n e u m o n i a e ) 降解甲基红 ( 1 0 0 m g l ，) ，2 4 小时后脱色率达1 0 0 。 2 ) 白腐真菌 f u r u i n gz h m l g j e r e m ys k n a p p 等“7 1 在腐烂的柳木中发现一种真菌f 2 9 ，经 鉴定它属于自腐真菌，经研究它对o r a n g e i i 具有9 5 以上的脱色率。 印度的r a j e s h k u m a rs a n ia n du t t a mc h a n db a n e r j e e ”从印度的一家印染厂 的污泥中筛选出了脱色能力极好的一株库特氏菌( k u r t h i as p ) ，它在有氧条件 下对三苯甲烷( t r i p h e n y l m e t h a n e ) 能够达到9 8 1 拘脱色率，在人工模拟印染废 m 东大学硕士 学位论文 水中不仅脱色率达到9 8 ，而且c o d e ，的去除率达到了8 8 。 d o r m i c e s l b a l a n 等“”从巴西植物园中采集培养物时发现了四种木生自腐 真菌( w h i t e r o tf u n g i ) ，分别为p h e l l h a u sg i l v u s 、p l e u r o t u s s a j o r c a j u 、p y c n o p o r u s s a n g u i n e u s 、p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i t u n ，利用这四种菌对印染废水巾的靛蓝染 料进行脱色研究，四天后脱色率分别达到1 0 0 、9 4 、9 1 、7 5 。 伊朗的m a h n a zm a z a h e r i a s s a d i 等啪1 用白腐真菌p h a n e r o c h a e t e c h r y s o s p o r i u m 处理一种含有酸性、偶氮及活性染料的日j 染废水，在最适温度2 5 4 0 。c 及最适p h 4 5 之间运行2 8 小时，脱色率达到9 8 。 土耳其的o z f f ry e s i l a d a 等”利用白腐真菌颗粒进行印染废水的脱色，主要 运用了六种白腐真菌( c v e r s i c o l o r a t c c2 0 0 8 0 1 ，f u n a l i a t r o g i i a t c c2 0 0 8 0 0 ， e c h r y s o s p o d u mm e 4 4 6 ，p l e u r o t u sf l o r i d a ，p l e u r o t u so s t r e a t u s ，p l e u r o t u ss a j o r c a j u ) 进行脱色试验，2 4 h 后脱色率全部达到7 5 以上。 3 ) 霉菌 李孱等”从黑龙江省不同地区的土壤中利用虎红培养基分离得到1 株染料 脱色真菌，经鉴定为温特曲霉h d l ( a s p e r g i l l u s w e m i ii d 1 ) 该菌对虎红、酸性墨 水蓝g 、硫化宝蓝c v 、还原蓝b c 和碱性湖蓝等非偶氮染料均具较强脱色能力， 脱色率大于7 0 ，其中脱色率大于9 4 的占8 0 。 z h o u & z i m m e r m a n n 。”用链霉菌( s t r e p t o m y c e t e sb w l 3 0 ) 降解儿种染料， 其中对偶氮一铜大红1 7 1 ( 1 8 0 m g l ) 降l 睇1 4 天，去除率达7 3 。 4 ) 嗜水气单胞菌 y a t o m ee ta 1 ”43 用嗜水气单胞菌( a e r o m o t m sh y d r o p h i l a ) 处理多种偶氮染料 ( 浓度0 2 m m o l l ) ，脱色2 4 小时，各种偶氮染料的脱色率为4 0 1 0 0 。 k u o c h e n gc h e n 等“从多种污泥中( 包括清华大学湖底泥及长春石油化学 品厂污水处理厂的活性污泥) 筛选出六种菌，其中嗜水气单胞菌( a e r o m o n a s h y d r o p b i l a ) 对各种染料都具有较强的脱色能力，其中对红r b n ( 浓度3 0 0 0 m g i 。) 在最适条件下( p h5 5 1 0 0 ，温度2 0 3 5 c ) 进行8 小时脱色，脱色率达9 0 以上。 2 2 固定化细胞技术在印染废水处理中的研究及应用现状 2 0 世纪6 0 年代后期首先发展起来的固定化酶技术是酶工程研究的重要成 4 山东大学 硬 士 学位论文 果，7 0 年代后期，研究人员在固定化酶研究的基础上又发展了固定化细胞即固 定化微生物技术。由于它具有细胞密度高，反应速度快，不流失和反应过程易 控制等优点，在发酵工业、医学、化学分析及环境保护等领域得到广泛应用。 固定化细胞技术在环境保护中的应用主要集中在环境监测和三废的治理，尤其 以废水的治理中应用最多，通过将活性污泥中分离、筛选出来的优势菌种加以 同定，组成一个快速、高效、连续的废水处理系统，这样就可以免除污泥处理 的二次污染：它与传统的悬浮生物处理法相比，有处理效率高，稳定性强，反 应易于控制，菌种高纯高效，生物浓度高，产污泥量少，固液分离效果好，丧 失活性可恢复等优点，因此固定化细胞技术很快成为了研究热点。 从2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初国内外就丌始有人用固定化细胞技术进行印 染废水脱色研究，通过将活性污泥巾分离、筛选出来的优势菌种加以固定，组 成一个快速、高效、连续的废水处理系统，脱色率在8 0 以上，c o d 。的去除 效果良好，这预示着固定化细胞技术在处理印染废水方面同样具有广阔的应用 前景。以f 从工艺过程综述了固定化细胞技术处理印染废水研究现状及应用前 景。 1 载体种类及固定化方法 固定化所选用的理想载体应具有以下特点： ( 1 ) 化学偶联制备固定化生物分子的前提是载体表面应具有化学活性基 圳，这些基团可以直接与生物分子偶联，或经过较为温和的化学方法活化后与 生物分子偶联。( 2 ) 载体应具备一定的容量，可以偶联足够多的生物分子，这对 于提高实验的效率和节省成本是很重要的。( 3 ) 载体应是惰性的。载体的作用仅 是使生物分子固定化，而不应干扰生物分予的功能。( 4 ) 载体应具有良好的，l 三物 栩容性，这一点对于细胞培养的微载体及载体药物来说尤为重要。( 5 ) 载体应具 有足够的稳定性，包括机械、物理和化学的稳定性。( 6 ) 水不溶性。( 7 ) 载体应 传质性能好，强度高，寿命长。( 8 ) 固定化过程操作简单。( 9 ) 载体应是价格低 廉易得的。 目前常用的载体可分为：( 1 ) 无机载体，主要包括活性炭、多7 l 玻璃、多孔 硅酸盐、石英砂、氧化锚、硅胶、硅藻土、高岭土、沸石等；( 2 ) 有机载体，主 要是一些天然的和人工合成的高分子凝胶及聚合物，如琼脂、明胶、卡拉胶、 山 东大学硕士学位论文 海藻酸钙、浆乙烯醇、聚丙烯酰胺、淀粉、纤维素、含氨基离子交换树脂等。 2 固定化方法 废水处理中采用的细胞固定化方式各式各样，相关的研究报告及文献都有 大量报道，但目前国内外仍未有统一的分类标准。一般根据固定机制不同可简 单划分为吸附法、交联法、包埋法三大类，以下将做简要介绍。并将几种固定 方法的比较于表1 。 i j 及附法是通过物理吸附、化学或离子结合的办法，将细胞固定在合适的载 体上，如生物膜法。该方法是固定化技术中操作最简单的方法，载体可再生， 但结合力较弱，所能固定的细胞量有限。 交联法不使用载体，而是利用两个功能团以上的试剂，与细胞表面的反应 基团如氨基、羟基等进行交联，形成共价键使微生物细胞相结合形成网状结构 柬固定细胞。此法由于反应剧烈，可能会毒害活细胞导致其活力下降；而且交 联剂大多价格昂贵，这都是限制此法广泛应用的主要原因。 包埋法是使细胞扩散进入多孔性载体内部，或利用高聚物在形成凝胶时将 细胞包埋在其内部，常用载体为琼脂、海藻酸钙、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等。 该方法操作简单，可以将细胞锁在特定的高分子网络结构中，结构紧密，能防 j l 细胞泄漏，同时能允许适当大小的底物分子渗透和产物扩散。该方法的缺点 是空间阻力大，不适于固定对大分子有机物作用的微生物。蒋宇红等”3 以琼脂、 明胶、海藻酸钙、聚乙烯醇和丙烯酰胺凝胶为固定化细胞的包埋固定载体，对 其主要包埋条件和性能进行了初步的研究比较。其结果表明，海藻酸钙和聚乙 烯醇与琼脂、明胶和丙烯酰胺凝胶相比较，具有机械强度较高、传质性能较好， 生物毒性较低和固定操作容易等优点，为较好的包埋固定化细胞载体。 目前在印染废水处理中应用最多的细胞固定化技术是吸附法和包埋法。 3 固定化细胞技术在印染废水处理中的主要应用 1 9 8 8 年韩树琴等“7 1 采用包埋固定化法，将蜡状芽孢杆菌用琼脂包埋进行酸 性红b 脱色研究，进水浓度4 2 1 m g l 时，出水平均脱色率达8 7 。 王孔星、黄晓维等”“用吸附固定法，选用一种多孔硅酸盐w v l 和一种自 制的多孔陶珠g m - m - 2 作载体固定化混合脱色菌w d 1 ，这两种载体具有多孔， 空隙大，能有效固定高浓度的生物量，比重小，成本低，使用寿命长等优点， 6 山 东大学硕士学位论文 固定后的菌株在有少量氮源的条件下，p h 5 l o ，温度2 0 4 0 。o 范围内对印染废 水的脱色率可达7 5 ；与常规的活性污泥法相串联，对印染废水进行深度处理， 脱色率达到8 5 1 5 。 表1几种固定方法的比较 主耍载体活性炭、多孔破璃 硅藻i ， 撵作难易易 微生物活力高 与载体结合力弱 载体再生性可再生 卒间阻力小 离于变换树脂 易 高 弱 】再生 小 聚合性电解质琼脂、海藻酸钙、 ( 非载体)聚丙烯酰胺、醋酸纤维脂 难难 低较低 己载体、结合力强 弱 不可再生4 i 町再生 较大丈 刘志培、杨惠芳等用包埋固定技术，选片j 聚乙烯醇( p v a ) 为载体固定 混合细菌处理福建南平第二针织厂的印染废水，在p v a 浓度为1 2 ( w v ) 时 成球性较好，所形成的固定化细胞颗粒的机械性、通透性都较好。试验结果表 明：固定化细胞对印染废水的脱色活性与其自然细胞相似，最适温度为3 0 4 0 ，晟适n h 值为7 0 。在p h 6 0 8 0 和温度3 0 4 0 6 c 范围内都具有较高的脱色 活性，固定化细胞的热稳定性增强，在连续一个月的试验中，水力停留时n d , 于3 0 h ，脱色率均可维持在7 0 8 0 。 李雷、崔善臣n “采用活性炭吸附固定微生物技术，对徐州色织厂的印染废 水进行了深度处理模拟试验，并在中间试验的生产性运行中加以考察，结果表 明：活性炭固定化微生物技术的最佳条件为，处理时间为4 小时左右，p h 为7 9 ，温度为2 5 4 06 c ，处理过程中，需控制进气；并且活性炭塔接存活性污泥曝 气池后，使最终出水c o d c 。 5 0 m g l ，去除率可由7 2 提高到9 0 8 ，色度 4 ，5 倍，脱色率刈山6 0 提高到9 6 8 ，从而实现水的回用。 贾省芬、杨惠芳等“”采用吸附包埋相结合的固定化方法，作了双载体固定 山东大学酸士学位论文 化细胞的脱色研究。将p v a 包埋的细菌细胞涂布并固定于作为多孑l 载体的棉靠 上，进行染色废水的脱色试验。制备固定化细胞的条件为：细胞浓度2 0 m g 湿 重m l ，p v a 浓度5 ，涂布量0 3 m l c m2 ，饱和硼酸液固定1 2 h ，再用含染料 的缓冲液活化细胞的脱色能力，可获得脱色能力较好的固定化细胞。将固定化 细胞装填于反应柱中，分剐用连续和间歇进水两种运行方式进行脱色效率的比 较。在2 0 天内，二者脱色率均在9 0 以上，而后连续进水方式的脱色率下降， 6 0 天后脱色率仅为6 0 左右，而间歇进水方式仍能达到8 0 。 吴国庆、张琳等。采用吸附法及聚集一交联固定法固定紫色非硫光合细菌混 合菌体( p s b ) ，用于处理印染废水及含酚废水。p s b 在光照厌氧条件下，易于 吸附在吸附性强、表面粗糙、多孔的载体上如活性炭、沸石、石英砂等，并 能承受较强水力冲刷脱色率在8 0 9 7 7 之问，c o d c ，去除率在5 2 - - 7 5 6 之间。聚集一交联p s b 固定化细胞经解毒活化后，酶活性增高，脱氢酶活力高 于自然细胞1 1 5 倍，脱色速度增长3 0 。 f u r u i n gz h a n g ，j e r e m ys k n a p p 等“7 1 利用海藻酸钠作包埋荆将白腐真菌f 2 9 进行固定，将其放韫卡三种不同的生物反应器中，测试其对偶氮染料o r a n g e l l 的脱色效果，在长时间的运行中，三种生物反应器都表现出了高效稳定的脱色 能力，其脱色率达到9 5 以上。 同帜、程刚等”采用琼脂包埋固定化微生物法，将六种来自陕西二印污水 处理车问二沉池污泥中的脱色菌t 0 0 1 、t 0 0 2 、t 0 2 2 、t 0 5 1 、t 0 7 2 、t 0 8 6 和两 种购于陕西微生物研究所的a 1 4 7 、c 1 2 4 脱色菌等量混合，加以固定化用于实 际生产废水的脱色试验，最终出水的色度去除率为9 0 3 ，达到非常理想的脱 色效果。 。 j o s h uc h a n g 等”采用海藻酸钙( c a ) 、k - 爱尔兰胶( c g a ) 、聚丙烯酰胺 ( p a a ) 固定化脱色菌p s e u d o m o n a sl u t e o l a ，研究其对偶氮染料活性红2 2 的脱 色的条件及效果，并与游离态菌作对照，发现p h 值及溶解氧浓度的变化对固定 化后的脱色菌影响不大，并且重复4 次脱色试验后，固定化菌种仍能保持较好 的稳定性。p a a - 固定化细胞由于p a a 本身对染料分予的吸附作用，能在染料浓 度高于5 0 0 m l 时具有比c a 、c g a 同定化细胞更强的脱色率。 黄惠莉、林文銮等“”采用吸附固定化法，研究了以活性炭、纤维挂条为载 m东大学硕士学位论文 体的固定脱色菌处理印染废水的工艺条件。结果表明：两者处理效果较好。活 性炭为固定载体的适宜流量小于6 7 m l m i n 一，处理3 8 h 后，只需对载体 的脱色 菌采用循环新鲜营养液，使其繁殖再生，又可继续处理废水约1 0 4 h ，脱色率可达 8 5 ，此法比无菌体等量活性炭处理废水的有效寿命长；以纤维挂条为载体固 定脱色菌，以相同接种量无载体的游离旃液处理废水作对比，经一定时阳培养， 处理相同体积废水，达到同样排放标准，但该法的处理时间少于游离菌液的处 理时间，并町反复使用。 4 应用前景 国内外学者刑染料的固定化微生物降解进行了火量研究，但大多集中在一 些单菌株或几种菌对染料的脱色研究( 实际应用中所使用的为混合菌群) ，且局 限于实验室研究，真正应用于实际的较少，要解决这些问题首先要解决： 1 ) 实际废水是一个十分复杂的混合体系，用单一菌种处理，一般很难达到 要求，因此如何获得适宜的混合菌种，来联合降解复杂的废水体系，有待进一 步研究。 2 ) 吸附法微生物与载体之间结合力较小，而包埋法载体对基质( 特别是氧 ，i ) 和产物存在扩散阻力，如何扬长避短使固定化微生物效果更好，并充分发 挥高效作用，有待于进一步探讨。 3 ) 固定化载体的成本及使用寿命是决定经济可行性的关键，开发适合于固 定化微生物的高效生化反应器也是一个亟待解决的问题。 q 由东大学硕士学位论文 第三章空气中脱色菌的筛选及其脱色条件研究 本章研究工作的目的在于从空气中筛选、分离出高效脱色菌种，作为试验 的储备菌种，并通过实验确定工程菌最佳脱色条件，为工程运行提供参考数据。 3 1 试验材料与方法 1 ) 菌种 来源于空气。 2 ) 染料 试验中所用染料主要有三种：活性红s t - - 2 b f 、直接湖兰5 b 、分散金黄 r g f l ，以下分别用r 、b 、y 表示，各染料的测试浓度根据配水样中的所选浓 度而定。 3 ) 培养基 沙保罗琼脂培养基( s d a ) ”：蛋白胨1 0 9 ，葡萄糖4 0 9 ，琼脂1 8 9 ，蒸馏水 1 0 0 0 n 1 _ l ，p h 5 6 ，1 1 6 灭菌3 0 m i n 。 改进的马丁培养摹( 真菌培养基) ”1 ：k h 2 p 0 41 9 ，0 、j h 4 ) 2 s 0 4l g ， m g s 0 4 7 h 2 00 5 9 ，筒萄糖5 9 ，染料，蒸馏水1 0 0 0 m l ，p h5 5 4 - 0 1 ，1 2 1 灭菌1 5 r a i n 。 4 ) 仪器 7 2 2 光栅分光光度计 u v 2 4 5 0 紫外一可见分光光度计 s h a - b 恒温振荡器： l r h 一1 5 0 b 生化培养箱；血球计数器：y x q g 0 2 电热型蒸汽消毒器；微孔过滤 器及过滤膜( 孔径为0 4 5 脚) 。 5 ) 主要方法 色度测定：用分光光度法，参阅 3 8 1 。 3 2 菌种的分离及纯化 将真菌培养基一沙保罗琼脂培养基( s d a ) 倾倒于培养皿中，暴露于空7 i 中 】0 分钟，然后置2 8 c 生化培养箱中4 8 h ，获得一个生长有多种真菌菌落的平板， 然后采用平板划线法分离单菌株，纯化三次，用含一定浓度染料的改良的马丁 培养基进行反复筛选，获得一株降解能力较强的真菌。经初步鉴定该菌株为黑 曲霉( a s p e r g i l l u sn i g e r ) 。 山 东大学硕士学位论文 3 3 菌种的鉴定 菌落蔓延；初为白色，中间出现或不出现黄色区域，继而产生黑色粉粒使 之变黑；粗绒状，周围絮状：表面具短的放射状沟纹：边缘整齐；背面无色。 在光学显微镜下一分生孢子梗：壁厚，光滑；无色或更上部略带黄色。分生孢 子头：球形：个大；成熟后为黑色。顶囊：球形或近球形；无色或略带黄褐色。 小梗：双层，密生在顶囊的全部表面。分生孢子：球形；黑褐色；表面粗糙； 直径4 5 啪。在扫描电镜下一从顶部看，球形的分生孢子头上，长满密集的分 生孢子，分生孢子头及小梗表面有小瘤状突起物；分生孢子表面成皱褶状。 以上特点可以初步鉴定。”1 该菌株为黑曲霉( a s p e r g i l l u sn i g e r ) ，命名为z h j 。 3 4 黑曲霉脱色能力及脱色条件的确定 3 4 1 黑曲霉脱色能力的测定 在3 0 下用s d a 平板纯培养5 天后的菌种，用1 5 m l 无菌水洗下制成孢予 悬液，用血球计数法“使孢子浓度为4 1 0 7 个m l ，按5 的接种量，将孢子悬 液接种于装有4 0 m l 含染料的马t 培养液的2 5 0 m l 摇瓶中，3 0 下1 5 0 r p m 振 荡培养，培养4 0 h 后，取少量进行微孔过滤( 孔径为o 4 5 r t m ) ，取滤液用u v 2 4 5 0 紫外一可见分光光度计在最大吸收波长下测o d 值，以不接种的染料培养液做对 照，计算染料脱色率，试验均采用三次重复。 3 4 2 黑曲霉脱色条件的确定 3 4 2 1 温度与脱色率的关系 将黑曲霉z h 】孢子悬液以5 的接种量，分别加入到含r 2 0 m g l 、b 3 0 0 m g l 、y 8 0 m g l 的马丁培养液中，p h 值为培养基的自然p h 值( 5 ，5 o 1 ) ， 在2 5 、2 8 、3 0 、3 3 、3 5 、3 7 和4 04 c 进行振荡培养4 0 h ，测 定该菌株对染料的脱色率，结果见图1 a 、图1 b 、图1 c 。 由图1 a 所示可知，该菌株对r 染料的最佳脱色温度为3 0 ，脱色率为 9 7 5 ，高于或低于3 0 时，随温度的升高及降低，其脱色率都有不同程度的 降低，其中3 0 3 7 之间降低幅度较小，脱色率都在7 7 以上。 由图2 b 所示可知，该菌株对b 染料的脱色率虽温度变化比较平缓，最佳脱 色温度为3 0 ，脱色率为9 9 3 ，其中2 5 3 7 之间变化幅度较小，脱色率 都在9 8 以上，说明该菌株对b 染料脱色效果较好，适宜温度范围广。 山东大学硕士学位论文 10 0 8 0 6 0 碍 脚4 0 g 2 0 0 2 42 62 83 03 23 43 63 84 0 4 2 温度e ， 图1 a 温度对r 脱色率( r d ，的的影响 1 0 0 9 5 9 0 器 8 5 8 0 2 42 62 83 03 23 43 6 3 84 04 2 温度日， 图l b 温度对b 脱色率( 。d ) 的影响 1 0 0 9 0 j 8 0 蝌 曲7 0 磐 6 0 5 0 2 42 62 83 03 23 4 3 63 84 04 2 温度0 ， 图l c 温度对y 脱色率( r d ) 的影n 向 一 一 一 一 t 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 m东大学硕 士学位 论文 由图2 c 所示可知，该菌株对y 染料的最佳脱色温度在3 3 ，脱色率为 9 0 5 。在2 5 3 3 范围内，脱色率随温度升高而升高；在3 3 4 0 范围内， 脱色率随温度升高而降低，降低幅度较大。其适宜温度范围为2 5 3 5 ，脱色 率都在8 6 上。 由以上分析可判断，如果该菌株作用于三种染料的混合物，其温度最适范 围为3 0 3 5 。 3 4 2 2p h 值与脱色率的关系 将黑曲霉z h 一1 孢予悬液以5 的接种量，分别加入到含r1 2 0 m g l 、b 3 0 0 m g l 、y8 0 m g l 的培养液中，在p h 值为4 0 、5 0 、5 5 、6 0 、6 5 、7 0 、8 0 、 9 0 时，3 0 振荡培养4 0h 测定该菌株对染料的脱色率，结果见图2 a 、2 b 、2 c 。 1 。 8 。 6 。 墓 4 。 2 0 。 d h 图2 a p h 对r 脱色率( r d 慌) 的影响 d h 图2 b p h 对1 3 脱色率( r d 慌) 的影响 1 日 一 1 _ j 一 1 1 目 一 一 1 - 1 d 帅 是f 锄舀 出东大 学硕 士 学位论文 1 0 q 8 0 琶。6 0 讲 蚰4 0 鬻 2 0 0 456789 o h 图2 c p h 对y 脱色率( r d 慌) 的影响 由图2 a 所示可知，该菌株在p h 为6 0 时对r 脱色率最高为9 7 8 0 0 ，在p h 范闸为4 o 8 0 之问时，其脱色率都达到8 5 以上，表明该菌株具有较广的p h 适用范围。 由图2 b 所示可知，该菌株对b 的脱色率随p h 的变化较小，其中最适p h 为5 0 ，此时脱色率为9 9 3 ，但就总体而言其适宜p h 值范围较宽为4 o 9 0 ， 在此区间内脱色率均达到9 6 以上。 山图2 c 所示可知，该菌株在p h 值为6 5 时对y 脱色率最高为9 7 1 ，低 r6 5 时n 兑色零随p h 值升高丽增大 高于6 5 时则随p h 值升高丽有所降低， 其最适p h 范围为4 0 8 0 ，在此范围内其脱色率都达到8 5 咀上。 l | j 以，卜r 分析可判断，如果该菌株作用于三种染料的混合物，其最适洲值范 围为4 0 8 0 。 3 , 4 ，2 3 接种量与脱色率的关系 分别接种o 5 m l 、1 0 m l 、1 5 m l 、2 0 m l 、2 5 m l 孢子悬液于4 0 m l 含 r 1 2 0 m g l 、b3 0 0 m g l 、y8 0 m g l 的单色马丁培养液中，p h 值为培养基的自 然p i i 值( 5 5 0 1 ) ，在3 0 进行振荡培养4 0 h ，测定该菌抹对染料的脱色率， 结果见图3 a 、图3 b 、图3 c 。 出图3 a 所示可知，该菌株对r 的脱色率随接种量增大而升高，但当接种量 增大到1 5 m l 后( 相当于孢子浓度为l a x1 0 6 个r i l l ) ，则对其脱色率的影响较 小。 山东大学硕 士学位 论文 1 0 0 9 0 告8 0 碍 柚7 0 窭 6 0 5 0 接种量v ，m l 图3 a 接种量对r 脱色率( r d 胍) 的影响 1 0 0 9 9 墨9 8 斟 蝴9 7 澍 9 6 9 5 o51 0 152o 25 接种最v m l 图3 b 接种量对b 脱色率( r d ，) 的影响 砭l 二 图3 c 接种量对y 脱色率( r 【) ) 的影响 1 ，_ 一 一 r 一 一l - t 2 一 一 一 一； 1 1i 一 ， _ 山东大学 硬 士学位论交 由图3 b 所示可知，该菌株对b 的脱色率随接种量的变化较平缓，但总体趋 势还是随接种量增大而升高，各接种量下的脱色率均达到了9 8 9 以上。 由图3 c 所示可知，在接神量为2 0 m l ( 相当于孢子浓度为2 1 0 6 个r t l 】l ) 该菌株对y 的脱色率最大为9 5 2 ；在接种量低于2 0m l 时，脱色率随接种量 的升高而升高；高于2 , 0 “儿时反而有所下降，这可能与染料品种有关。 山以上分析，若将该菌株作用于三种染料的混合液。取得最适接种量应在 1 5 2 0m l 范围内。 3 4 2 4 染料浓度与脱色率的关系 将黑曲霉孢子悬液以5 ( 2 m l ) 的接种量接种于：r 浓度分别为5 0r n g l 、 1 0 0m g l 、1 2 0m g l 、1 5 0m g l 、2 0 0m | g 几；b 浓度分别为1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、 3 0 0m l ；y 浓度分别为2 0 、5 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0m g l 的培养液中，p h 值为5 5 ， 于3 0 。c 振荡培养4 0 h ，测定该菌株对染辩的脱色